（地质工程专业论文）广西平果铝矿泥物理化学性能及固化机理研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 矿泥是氧化铝生产过程中在洗、选矿时排出的高含水量红色粘土状泥浆。国内对矿泥 的处理主要采用管道输送、湿法堆存，其优点是排泥库运行管理简单，矿泥排放和堆存无 特殊要求。但湿法堆存占大量土地，防渗处理困难，对环境存在潜在的危害。广西平果铝 自1 9 9 5 年投产以来，堆存矿泥已达1 0 0 0 万m 3 ，且以4 0 0 0 m 3 d 的速度增加。 通过室内工试验对矿泥的含水量、浓度、密度、比重、颗粒、液塑限进行测定，得 出了矿泥为高含水量、低浓度，颗粒细小，天然密度小，液性指标和塑性指标大的物质。 通过光谱分析和x 射线物相分析知道，矿泥的化学成分主要为a 1 、f e 、s i 、c a ：矿泥的 矿物成分主要为一水硬铝石、三水铝石、高岭土和赤铁矿。通过酸碱度的测定得出矿泥的 p h 值为中性。通过以上这些试验对矿泥的基本物理化学性质有了清楚认识。 平果铝矿泥颗粒细小、表面积大、颗粒表面带负电，含水量高、浓度低，可以近似地 的看作一种胶体。我们通过静置沉降试验发现矿泥在自然条件下沉降速度很慢，沉降后矿 泥的含水量依然很大，而且在沉降达到一定的程度，矿泥会产生沉降平衡而导致矿泥不能 沉降。所以矿泥在自然条件下沉降，完全完成自重固结需要上百年的时间。通过电泳沉降 试验发现矿泥在电场的作用下发生定向移动，沉降速度明显加快，沉降后矿泥的含水量为 沉降| j i 的1 3 ，浓度提高3 倍左右。通过不同的絮凝沉降试验发现聚丙烯酰胺非离子型和 阴离子型对矿泥沉降具有明显作用，矿泥在选用合适的絮凝剂后沉降速度明显加快，而且 沉降后矿泥的含水量减少半左右，浓度提高2 倍左右。通过静置沉降、絮凝沉降和电泳 沉降比较发现通过电泳和絮凝试验能降低矿泥的含水量，减少排泥库的堆存量，还可以对 处理后的水进行循环利用，减少生产成本，有效的保护环境。 针对沉降后矿泥的特性进行固化试验，采用粉煤灰、石灰、水泥、石膏作为矿泥固化 剂，测定3 d 、7 d 、2 8 d 的抗折强度和抗压强度，2 8 d 的抗压强度最大达4 8 m p a ，并研究了 矿泥的固化机理。 针对处理后矿泥的含水量大大减少，浓度明显提高的特点，还有平果县属于岩溶石漠 化地区，耕表土有限的特点，探讨了矿泥作为复垦用士对平果铝矿山采空区进行复垦的可 行性和优点。同时还探讨了矿泥作为建筑材料、回填材料、充填材料、筑路材料等用途的 综合利用前景。 关键词：矿泥物理化学性质电泳絮凝固化机理 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t b a u x i t em i n es l i m ei st h eh i g hw a t e rc o n t e n ta n dr e dc l a ym a t e r i a lt h a td i s c h a r g e dd u r i n g p r o d u c ta l u m i n a t h em a i nm e t h o dt od e a lw i t hi ti nc h i n ai st r a n s p o r t i n gb yp i p ea n ds t o r i n g u pi ta si ti sn a t u r e ，i t sa d v a n t a g ei st h a tt h eo p e r a t i o no fs t o r a g ey a r dt om a n a g ei ss i m p l e ，t h e b a u x i t em i n es l i m ee m i s s i o na n ds t o r eu pw i t h o u ts p e c i a lr e q u i r e m e n t ，b u ti to c c u p yp l e n t yo f l a n d sa si ts t o r eu pi nn a t u r ea n di th a v el a t e n th a r mf o re n v i r o n m e n t g u a n g x ip i n g g u o a l u m i n u mi n d u s t r yc o m p a n yh a v es t o r e du pb a u x i t em i n es l i m ee x c e e d1 0 0 0 x 1 0 4 m 3s i n c ei t s t a r t e dp r o d u c ta l u m i n ai n1 9 9 5 ，a n di si n c r e a s i n gw i t ht h es p e e do f 4 0 0 0 m 3 d u s i n gg e o t e c h n i c a lt e s t i n gi n d o o rt ot e s tt h ew a t e rc o n t e n t , c o n s i s t e n c y , d e n s i t y , p r o p o r t i o n ， p e l l e t ，l i q u i di n d e xa n dp l a s t i c i t yi n d e xo ft h em i n es l i m e ，f n d i n gt h a tt h ew a t e rc o n t e n ti s h i 曲，t h ec o n s i s t e n c yi sl o w , t h ep e l l e ti st i n y , t h en a t u r a ld e n s i t yi ss m a l l ，t h el i q u i di n d e xa n d p l a s t i c i t yi n d e xa r eb i g a c c o r i n gt ot h er e s u l to fs p e c t r o m e t r ya n dx - r a yd i f f r a c t i o np h a s e a n a l y s i s ，t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h em i n es l i m em a i n l yi sa i ，f e ，s i ，c a ；a n dt h em i n e r a l c o m p o s i t i o nm a i n l yi sd i a s p o r e ，g i b b s i t e ，k a o l i n i t ea n dh e m a t i t e t e s t i n gt h ep hv a l u eo ft h e m i n es l i m e ，i t sn e u t r a lt h e s es o i lt e s t sm a k et h eb a s i cp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f t h e m i n es l i m ec l e a r l y 、 1 1 1 ep e l l e to ft h ep i n g g u oa l u m i n u mm i n es l i m ei s s m a l l , t h es u r f a c eo ft h ep e l l e ti s b i g ，p e l l e ts u r f a c ew i t hn e g a t i v ee l e c t r i c i t y , h i g hw a t e rc o n t e n t ，l o wc o n s i s t e n c y , s oi tc a l lb es e e n a sa1 ( i n do fc o l l o i d w et e s t e dt h es e t t l e m e n ts p e e db yp u t t i n gi ta s i d ea n dl e t t i n gi ts e t t l e n a t u r e l y , f o u n di tv e r ys l o w , t h ew a t e rc o n t e n ta f t e rs e t t l e m e n ti s s t i l lv e r yh i g ha n dw h e nt h e s e t t l e m e n tr e a c h e dac e r t a i nl e v e l ，t h es e t l l e m e n ts t o p p e da sar e s u l to fd e v e l o p i n gas e t t l e m e n t b a l a n c e s oi tn e e da b o u tm o r et h a n1 0 0y e a r st of i n i s hs e l f - c o n s o l i d a t i o nu n d e rn a t u r a l c o n d i t i o n i t sf o u n dt h a tt h em i n es l i m ea c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o p h o r e s i st e s tm o v e dd i r e c t l y b yt h ee f f e c to ft h ee l e c t r i cf i e l d t h es p e e do ft h es e t t l e m e n ta c c e l e r a t e dn o t i c e a b l y c o m p a r e d t ot h em i n es l i m eb e f o r es e t t l e m e n t ，t h ew a t e rc o n t e n tf a i l e dt o1 3 ，b u tt h ec o n s i s t e n c y d e v e l o p e da b o u t3t i m e s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tf l o c c u i a t i o ns e t t l e m e n tt e s t s ，f o u n d t h a t p o l y a c r y l a m i d en o n i o n i ca n da n i o n i ch a v ead e f i n i t e l ye f f e c tt ot h es e t t l e m e n t t h es e t t l e m e n t a c c e l e r a t e dn o t i c e a b l yw h e nc h o o s e dt h es u i t a b l ef l o c c u l a n t , a n dt h ew a t e rc o n t e n tc o m et oi 2 c o m p a r e d t ot h em i n es l i m eb e f o r e s e t t l e m e n t ，t h ec o n s i s t e n c yd e v e l o p e d a b o u t2 t i m e s c o m p a r i n gt h et h r e em e t h o d sa b o v e , w ec a l lf j n d t h a te l e c t r o p h o r e s i sa n df l o c c u l a t i o n t e s t sc a nr e d u c et h ew a t e rc o n t e n ta n dt h es t o r a g eo f t h em i n es l i m e ，b e s i d e s , c a nr e u s et h ew a t e r a f t e rh a n d l i n g ，r e d u c ep r o d u c t i o n c o s t s ，p r o t e c tt h ee n v i r o n m e n te f f e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so ft h em i n es l i m ea f t e rs e t t l e m e n t ，c a l t yo ns o l i d i f i e d e x p e r i m e n t ，a n du s et h ep u l v e r i z e dc o a la s h , l i m e ，c e m e n t , g y p s u ma st h ec u r i n ga g e n t ，t ot e s tt h e f l e x u r a ls t r e n g t ha n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g a ho f 3 d 、7 d 、a n d2 8 d ，f i n dt h em a x i m a lc o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f 2 8 dr e a c h e s4 8 m p a , m e a n w h i l e ，s t u d yt h es o l i d i f i e dm e c h a n i s mo f t h em i n es l i m e a c c o r d i n gt ot h ew a t e rc o n t e n to ft h em i n es l i m ea f t e rh a n d l i n gr e d u c e dg r e a t l y , t h e “ 桂林工学院硕士学位论文 c o n s i s t e n c yd e c l i n e x ld e f i n i t e l y , p l u sp i n g g u oc o u n g t yb e l o n g st ok a r s tr o c k ya r e a , w h e r et h e c u l t i v a t e ds o i li sl i m i t e d t h i sp a p e rh a v ead i s c u s s i o no nt h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e st ot h e u s eo f m i n es l i m ea sr e c l a m a t i o ns o i lt or e c l a m a t ei nt h em i n e d o u ta r e ao f p i n g g u oa l u m i n u m m i n e m e a n w h i l e ，d i s c u s s t h e p r o s p e c t so ft h e m i n es l i m ea s b u i l d i n gm a t e r i a l s ，f i l l i n g m a t e r i a l s ，r o a dm a t e r i a l sa n do t h e rp u r p o s e s k e yw o r d s ：m i n es l i m e ，p h y si e a l & c h e m i c a lp r o p e r t i e s ，e l e c t r o p h o r e s i s ，f l o c e u l a t i o n ， s o l i d i f i e dm e c h a n i s m 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在肖明贵教授指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文 中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者。签铋邀 签字日期：砧9 名芎二 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印，数字化或其它 复制手段保存论文；在不以赢利为耳的前提下，学校可以公布论文的部分或全部 内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期： 桂林工学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 矿泥的基本情况 1 1 1 我国每年都有大量的矿泥产生 我国是一个铝金属生产和消费的大国，在铝金属的生产过程中会产生大量的矿泥。矿 泥是氧化铝生产过程中铝土矿选洗排尾形成的高含水量泥浆。据统计每年生产1 吨氧化铝 需要排出矿泥1 0 2 5 吨0 1 ，目前全世界每年产生的矿泥约5 0 0 0 8 0 0 0 万吨。我国每 年生产氧化铝达3 0 0 万吨以上，每年产生的矿泥达1 0 0 0 万吨左右。如山东铝厂自1 9 5 4 年投产以来，已堆积矿泥1 0 0 0 万吨左右，占地8 0 0 余亩，矿泥堆高达3 5 米，并以每年1 米的速度增高。河南是我国产铝大省，郑州铝厂和中州铝厂每年生产氧化铝约5 5 万吨， 每年排放的矿泥近1 0 0 万吨，现在中州铝厂正扩建一条年产1 0 0 万吨氧化铝的生产线，一 旦投产，矿泥的排放量还要增加。平果铝厂为国家大型氧化铝生产企业，至1 9 9 9 年底， 矿泥的存量己达近5 0 0 万吨，二期于2 0 0 3 年竣工，现在每年以1 7 0 万吨的速度递增；三 期工程投产以后矿泥的排放量还将增加2 3 倍；预计到2 0 1 0 年平果铝矿泥堆场至少需要 堆存矿泥2 4 0 0 万吨。拟建的广西华银氧化铝厂规划年产1 6 0 万吨，2 0 0 8 年建成投产后， 矿泥问题将更加突出0 1 。 1 1 2 平果矿泥的基本情况 广西平果铝是我国新兴的第五大铝基地，是建国以来有色行业一次性投资最大、配套 最齐全、技术最先进的采选冶联合企业“1 。平果铝土矿属于岩溶风化堆积型铝土矿，铝土 矿资源具有中铝低硅高铁，原矿含泥量高，泥的可塑性大，矿石粒度组成不均匀等特点。 研究发现平果铝业公司氧化铝生产以一水硬化铝矿为原矿，铝土矿矿泥中常含见的一些矿 物，如赤铁矿、针铁矿、高岭土、金红石等矿物往往吸附着较多的a l ( o h ) - 、k + 和结合水， 大大降低了矿泥的沉积速度：矿泥中的s i 0 2 主要以高岭土的形态存在，对矿泥沉降速度 影响较大，矿泥浆液粘度越大，沉降速度越慢“”1 。 1 2 矿泥的综合利用现状 国外的矿泥，由于含铁量高，就以作为炼铁原料。前苏联的乌拉尔铝厂、巴甫洛达尔 铝厂，德国的格布尔基里尼公司，美国麦克道尔韦尔曼公司以及日本和匈牙利等国的 铝厂都进行过矿泥炼铁的试验。但由于工艺和经济效益方面的原因大多停留在试验阶段。 矿泥利用比较成功的是生产建筑材料，前苏联利用第聂伯铝厂的矿泥生产水泥。日本三井 桂林工学院硕士学位论文 氧化铝公司与水泥厂合作，以矿泥为铁质原料配入水泥生料，但可利用矿泥量仅5 2 0 k g t ，矿泥的利用水平比较低。德国试验用矿泥作为筑路材料，用矿泥和软泥混合填充 低凹地，变贫瘠的土地为良田。俄罗斯用矿泥生产粘土砖等，有些技术已得到了工业应用 【1 7 】 o 我国自1 9 5 4 年第一座氧化铝厂建成以来，对矿泥综合利用的研究就没有停止过。首 先山东铝厂在借鉴前苏联经验并结合自己研究成果的基础上于2 0 世纪6 0 年代初建成了旨 在综合利用矿泥的全国性大型水泥厂。为解决矿泥堆存的综合利用问题，山东铝厂利用矿 泥本身抗硫酸盐侵蚀性能力强的特点，在矿泥配料的基础上，又以烘干矿泥作混合材料， 进行了抗硫酸盐型水泥的试验，并于2 0 世纪7 0 年代进行了多年的工业化试生产。该试验 开辟了水泥生产中配料和混合材料两阶段利用矿泥的途径，使水泥的矿泥利用量达到了 6 0 0 8 0 0 k g t 。此外，山东铝厂还先后进行过矿泥蒸养砖、矿泥冷压砖、矿泥烧结砖、矿 泥釉面砖等试验，但皆因制品性能不好、工艺条件严格及经济效益等原因未能进入实质性 生产“。 1 2 1 利用矿泥生产水泥 利用矿泥生产水泥是矿泥综合利用研究最多的，水泥生料中矿泥平均为2 0 3 8 5 ， 水泥的矿泥利用量2 0 0 4 2 0 k g t ，产出矿泥的综合利用率3 0 5 5 。与一般水泥厂产品相 比，除抗压强度偏低外，其他性能皆等于或优于一般水泥，特别是抗折强度、早期抗压强 度和抗硫酸盐侵蚀系数方面尤为明显。但由于利用矿泥制作水泥，工艺复杂、成本高，矿 泥的利用率低等原因，现在大多停留在试验试产阶段，即使有少数工厂进行了生产，产量 也不大”1 。 1 2 2 利用矿泥作新型墙材 利用矿泥作新型墙材。利用矿泥、粉煤灰、页岩等工业废渣，通过加入少量的天然矿 物添加剂，采用陶瓷制备技术制成新型空心砖、可以大量消化矿泥、节约土地，同时还可 以改善环境“”“”。我国的山东铝厂就进行了这方面的尝试，进行了矿泥蒸养砖、矿泥烧结 砖、矿泥冷压砖和矿泥釉面砖等试验，但皆因制品性能不好、工艺条件严格以及经济效益 差等原因未能进入实质性生产。， 1 2 3 利用矿泥制作陶瓷材料 利用矿泥制作陶瓷材料。利用矿泥、粉煤灰生产的陶瓷抗压强度可达6 5 1 0 5 m p a ， 吸水率达到了2 2 3 5 的良好指标。玻化陶瓷结构致密、孔隙率具有相当高的机械强度 和优良的抗冻融能力。生产这种建筑陶瓷矿泥的利用率能达到6 6 ，粉煤灰利用率可达 2 2 ，两种废弃物占8 8 的利用效果；但由于生产工艺相当复杂、生产成本高，可操作性 2 桂林工学院硕士学位论文 方面的原因采用矿泥制作陶瓷材料，只能停留在试验阶段，未能推向市场“”。 利用矿泥制取矿泥玻璃，矿泥可用制备微晶玻璃的原料，用矿泥、铬矿渣、石英、长 石等等为主要原料，经球磨、熔制、微晶化处理后可以得到耐磨、耐腐蚀、机械性能好的 微晶玻璃。 1 2 4 利用矿泥作为塑料填料 由于矿泥粒度细、级配合理、比表面积大、有活性，能被p v c ( 聚氯乙烯) 严密包裹， 而且相互间有p v c “韧带”联结。因此，矿泥p v c 复合材料的机械性能明显地优于碳酸钙、 高岭土、硅藻土、滑石粉、粉煤灰等材料，除此之外，矿泥对p v c 具有显著的热稳定作用， 它与p v c 常用稳定剂并用时具有协调效应，使充填后的p v c 制品具有优良的抗老化性能， 可延长制品的寿命，比普通的p v c 制品的寿命长2 3 倍，且矿泥聚氯乙烯复合塑料具有 阻燃性，可用于生产建筑材料“1 ”1 。 1 2 5 在矿泥中提取有价金属 矿泥中的f e 2 0 。含量在7 5 4 3 9 7 之间，经焙烧、冷却、粉碎、磁选，最后可以获 得含铁6 3 8 1 的铁精矿作为炼铁原料，矿泥中还含有大量的铝、纳、硅、钛等成分，均 是可以回收利用的资源“1 ”。 1 2 _ 6 利用矿泥作筑路材料 利用矿泥作为筑路材料，将大量堆弃无用的矿泥配以石灰和粉煤灰，辅加少量的化学 外加剂，可以成功配制出成本低廉、性能优良的新型道路基层材料，可减少土地的占用， 社会效益与经济消息显著”3 “嘲。 1 2 7 利用矿泥作矿山采空区充填材料 矿泥用作充填矿山材料，山东铝业和长沙矿山研究院合作，在湖田北焦宋矿区采用泵 送矿泥胶结充填采矿法获得成功。通过铝土矿地下开采实践证明，胶结充填技术可靠，经 济合理，可提高2 3 的矿石回收率；减少了采矿坑木消耗，从而降低开采成本，控制采场 地压，保护地表建筑、村庄、铁路等，为开采顶底板不稳固的缓薄矿体的开采找到了一条 比较成功的新路。4 。 1 3 研究现状 矿泥是氧化铝厂生产的尾矿，是在洗矿过程中产生的红色粘土状物质，矿泥产生量大， 国内对矿泥的处理，从2 0 世纪5 0 年代起至今9 0 以上的氧化铝厂均采用的是湿法输送和 堆存技术。湿法输送及堆存矿泥是以土石和混凝土筑坝的形式构筑矿泥库，堆存时形成巨 3 桂林工学院硕士学位论文 大的“矿泥湖”，库内上部大面积积水，下部矿泥稀软，湿法输送及堆存矿泥技术具有输 送矿泥工艺简单、堆场初期建设投资较少、堆场运行管理简单、矿泥排放和堆存无特殊要 求等技术特点，但其堆场所需面积较大，占用大量的土地资源，特别是湿法堆存物料流量 大，防渗处理困难，渗泄危险度较高，一旦击穿防渗工程，或者溃堤垮坝，会对环境造成 较长时间的难以处理的污染。尤其是雨季期间，由于有大量的雨水汇集进入排泥库，使排 泥库承受巨大水头压力，承担着垮坝的风险，对周围环境和人民的生命财产造成巨大的威 胁，即使排泥库坝体牢固，也存在矿泥溢出的污染周围环境的威险；同时，由于雨水不断 的补充造成矿泥的浓度降低，从而不能固化。 1 3 1 矿泥的物理性质分析 矿泥是氧化铝生产过程中洗矿产生的红色粘土状泥浆，含有4 0 l o 哪的水，对矿泥 的物理性质分析就是对其粒径组成、物理力学性质、化学及矿物成分和微观结构进行研究， 找出矿泥物理力学上的特点，为以后矿泥灾害治理和综合利用提供基础性的成果。 平果铝土矿矿泥的化学成分主要是a 1 ：0 3 、s i o ：、f e 2 0 。、c a o 、k 2 0 、t i 0 2 等，矿物成分 主要是：水硬化铝石、三水铝石、水化榴石、高岭土、钙霞石、赤铁矿、针铁矿、石英 及其他矿物成分。矿泥粒度细，小于0 o l m m 粒级占7 6 6 4 ，矿泥的微观结构及其空旷疏 散，程度超过湿陷性黄土，属于“超架空结构”。矿泥的含水率为4 7 9 1 3 3 5 5 ，矿泥 在排泥库随堆放时间、堆放区域不同，含量差异较大。一般而言，刚堆存的泥浆浓度低。 含水率大：堆存较久后浓度高，含水率小。总体而言，矿泥的含水量较大，为泥浆态。矿 泥的天然密度为1 1 0 2 4 5 9 c m 3 。“”。 1 3 2 矿泥的沉降机理分析 矿泥呈泥浆状，具有流动性，通过湿法输送排入排泥库，泥浆入库被抛在地面或早先 淤积的矿泥面上，沿运动途径逐渐实现固相沉积，同时也完成了物质颗粒大小和密度的自 然分选，逐步形成三个基本区：( 1 ) 冲积滩的水上区；( 2 ) 冲积滩的水下斜坡区；( 3 ) 沉 淀池区。在三个区内，固体颗粒的沉积条件是不同的。影响沉淀时间的因素有颗粒大小、 粘土矿物的泥化趋势、矿泥的p h 值、波动作用、水的深度等。 ( 1 ) 冲积滩的上水区；矿泥浆被抛在地面或早先沉积的矿泥面上，水流中携带的物质 沉积下来，组成物质主要是细砂及粘土矿物。由于水流能量消失很快，所以泥沙沉积分选 性差，沉积物脱水，被后期排放矿泥埋藏，压密为砂质透镜体或多为薄层的水平层理及平 缓得波状层理。 ( 2 ) 冲积滩的水下斜坡区：矿泥浆中悬移物质的主要沉积带，分布于干滩面至水下 沉淀区，主要是细砂，粉砂或粘土薄层透镜体，在剖面上构成具有波纹层理的细砂与亚砂 土、粉砂等。 4 桂林工学院硕士学位论文 ( 3 ) 沉淀池区：矿泥浆入库，带来的物质呈悬浮状，沉积作用缓慢，沉积物主要是 粉砂，粘泥与粉砂互层，具水平层理或隐层理。 平果铝土矿属喀斯特地区，为减轻泥浆水的渗漏对环境的影响，缓解因土源缺乏与复 垦的矛盾，平果铝土矿及有关单位共同就尾矿干法处理，合理利用、开发进行了专题研究。 根据压滤脱水半工业性试验，拟采用1 0 6 0 m 2 大型全自动压滤机，该压滤机设计处理尾矿 干量3 7 1 5 t ( d 台) ，滤饼含水3 7 ，折合湿量5 9 0 t ，选用1 2 台( 含备用) 这样的压滤机， 便可完成二期排尾固液分离任务，年提供复垦土源7 9 万m 3 ，但是实际使用中，压滤的效 果不明显，由于矿泥颗粒较细，粘性很强经常堵塞滤网“，现在已处于停产状态。广西冶 金研究院的李佩鸿对平果铝土矿的洗矿泥进行了沉降试验，为铝土矿在生产中沉降矿泥选 择了合适的絮凝剂u “，。 1 4 问题的提出 平果铝是上世纪9 0 年代初建设投产的我国大型铝冶炼联合企业。平果铝土矿属“岩 溶堆积型铝土矿”，这种矿石赋存于地质层第四系更新部的粘土或砂土层之中，矿体呈鸡 窝状，故又俗称“鸡窝矿”。它与国内其它地区的铝土矿相比，独具三大特点：一是矿土 共生，矿石只占矿土的三分之一；二是矿藏分布广，仅平果县境内的5 个矿区面积就达 1 7 5 0 平方公里；三是矿层薄，平均厚度为4 4 8 米，远薄于国内其它铝土矿矿层。由此相 应产生了采矿占用土地面积大、采矿作业面广、用地速率快的难题“”1 。 平果县是广西石漠化最严重的5 个县之一，全县人均耕地面积只有0 7 5 亩，不及全 国人均耕地水平的一半，土地资源显得尤为珍贵，而平果铝土矿赋存于农民的土地下”。 如果平果铝土矿的开采势必占用农民的土地，更为严重的是采矿导致乱开滥采，植被破坏， 水土流失，给环境带来无法弥补的损失。 平果的“矿土矛盾”、“人地矛盾”严重。平果铝铝土矿是赋存于岩溶堆积型的铝土矿， 具有“矿土共生”性在这里每取1 吨净矿便要用水洗去2 吨泥土。平果铝为此专门在 板下修建了巨大的排泥库，用来堆存矿泥。这种尾矿处理模式具有以下隐忧：一是排泥库 建在岩溶地貌谷地，地质结构复杂，易发生库底溶洞崩塌现象，泥浆溢出，污染环境。平 果铝自投产以来，已排出矿泥逾1 0 0 0 万m 3 ，对周围的环境和安全是潜在的危胁a 二是每 年1 2 0 万吨泥土地从洼地取走，矿山采空区将形成一片片新的裸石区，因土壤缺失导致石 漠化现象加剧。三是每年要花大量的资金对排泥库进行维护“”。 目前对氧化铝矿泥的利用主要集中在从中提取有用元素以及其它工业产品原料上，对 矿泥在常温常压下的有效利用虽做了大量的研究工作，但用于生产的不多，其原因要么是 技术不成熟，要么成本高，或矿泥的利用率低。针对矿泥的泥浆状的堆存形态，目前未能 有有效的方法使其沉降。为了找出矿泥沉降的可靠有效方法，就必须对矿泥的物理化学住 质进行分析，并在此基础上选取不同的物理化学方法进行沉降研究。这样就能找到矿泥最 桂林y - - 学院硕士学位论文 有效的沉降方法，综合利用沉降的矿泥作建筑、矿山采空区回填、道路材料，一方面降低 了矿泥的处理成本，提高了矿泥的利用率：另一方面是可以为矿山的复垦提供了可靠稳定 的土源。 试验研究发现，平果矿泥堆存不久的矿泥泥浆浓度小于1 0 左右，堆存较久的也不 到5 0 “1 。矿泥在自然堆存状态下完成自身的沉降与固结大约需要上百年的时间。由此我 们可知，矿泥的沉降固化有很大的潜力可以挖掘，只要在对矿泥物理化学全面了解的基础 上，采取合适的方法，对矿泥进行沉降和固化是完全可行的。 1 5 本文开展的主要工作 本文主要工作可分为以下几个方面 ( 1 ) 综述了目前国内外矿泥的基本情况和综合利用情况，认真系统、深入地研究平 果铝矿泥的物质组成、沉降规律、物理化学性质，为后续矿泥的堆放提供科学依据。 ( 2 ) 通过现场取样进行室内土工试验，测定矿泥的p h 值，浓度，密度，含水量等物 理化学性质。采用x 光衍射对矿泥进行物相分析研究平果铝矿泥的化学成分和矿物组成。 ( 3 ) 在研究了直接排放矿泥性能的基础上对矿泥进行沉降规律和固化机理研究，配 比不同的絮凝剂，研究添加絮凝剂后对矿泥沉降的影响，找出经济、便捷的絮凝沉降固化 矿泥的方法并分析其固化机理。采用电泳的方法，试验电场对矿泥沉降的影响。 ( 4 ) 在研究矿泥沉降的基础上，比较分析了沉降前后的矿泥物理化学性质的改变， 根据平果铝的实际情况，对矿泥的综合利用进行探讨。 ( 5 ) 总结全文并对本研究提出展望。 1 6 研究技术路线 本文的技术路线如图1 1 。 6 桂林工学院硕士学位论文 图1 1 研究技术路线 7 桂林_ t - 学院硕士学位论文 第2 章平果矿泥的物理化学性质 2 1 概述 论文研究的对象是平果矿泥排放于板下排泥库中的矿泥。板下排泥库位于广西平果县 北西1 5 k r n 处，板下屯的西部。由三个外坝和山体围成，面积约0 。3 5 k m 2 ，库底标高+ 3 4 0 3 1 0 m ，坝顶标高+ 3 7 7 m 。总库容1 2 0 5 万m 3 ，总有效库容1 0 5 5 万一。矿泥泥浆采用管道输 送、固定矿泥排放口排放。板下排泥库自1 9 9 4 年8 月矿山试生产时开始使用，至今已连 续使用1 2 年，目前液面标高+ 3 7 2 m 左右。1 。本文室内土工试验取样的矿泥为板下排泥口直 接选取的刚排放的矿泥。 2 1 1 研究目的 鉴于平果铝拟建氧化铝三期工程与一、二期中铝土矿成矿条件，选矿工艺基础相同， 尾矿特性具有相似性，研究矿泥物理化学性质，可以为三期排泥库的设计，特别是防渗设 计，得至进一步的优化，同时为矿泥的沉降固化提供可靠的基础资料，找出适用、经济的 沉降固化方法，为以后矿泥的综合利用铺平了道路。 2 1 2 研究方法 针对矿泥的工程特性，采取现场取样、室内试验相结合的方法。矿泥取自广西平果铝 土矿板下排泥库排泥口生产排出、未进入排泥库堆存的矿泥。矿泥取样回到桂林工学院岩 土工程研究所土工试验室进行含水率、密度、浓度、粒径、p h 值、液限、塑限以及化学 成分和矿物成分分析等试验。 2 2 矿泥的物理性质 2 2 1 矿泥的含水率” 矿泥的含水率是指在温度为1 0 5 1 i o c 下烘干至恒重时所失去的水的质量与恒重后 干土质量的百分比。矿泥的含水率是矿泥的基本物理指标之一，它反映了土的干、湿状态。 含水率的变化会直接影响土的强度、稳定性等一系列力学性质的变化，同时也是计算干密 度、孔隙比、饱和度、液性指数等指标的基本数据和评价矿泥的工程性质的重要依据呦。“ 删 o 2 2 1 1 测试原理 含水率的测试方法较多，有烘干法、酒精燃烧法、土粒相对密度法( 比重法) 、炒干、 微波能量法等汹1 。烘干法具有试验简便、结果稳定的特点，所以我们采用的是烘干测试矿 泥的含水率，试验的矿泥试样是直接从广西平果铝尾矿库排泥口直接取样回来的原样。 含水率的计算公式如式2 1 ： 8 桂林工学院硕士学位论文 w ：江1 ) x 1 0 0 ( 2 1 ) 嘞 式中：w 含水率( ) ； 盼一试样湿质量( g ) ； 虬试样干质量( g ) ； 2 2 1 2 测试步骤 ( 1 ) 首先在天平上核对铝盒的质量，再从矿泥中一定的土样，放入铝盒中，在天平 上准确地称的盒与湿土的总质量并记录结果。 ( 2 ) 打开盒盖，将试样和盒一起放入烘箱内，在温度1 0 5 1 i o c 下烘至恒量，时间 控制在1 0 h 左右。 ( 3 ) 将烘于的试样和盒从烘箱中取出，盖上盒益，放入玻璃干燥缸内冷却至室温。 ( 4 ) 将试样聪干燥器中取出，称盒盒烘干后矿泥的总质量。 2 2 1 3 测试结果 测试的结果如表2 1 所示，矿泥的平均含水量为1 2 5 5 6 5 ，矿泥为泥浆状。换算成 泥浆的浓度为7 3 8 表2 1 矿泥的含水率 样盒质量盒加湿土质量盒加千土质量湿土质量干土质量含水率 试样编号 m 盒( 酚m l ( g )m 2 ( g ) m 0 ( 曲m d ( g ) l6 1 01 5 1 06 7 89 0 00 6 81 2 2 3 5 3 21 4 0 24 9 3 51 6 6 63 5 3 32 6 41 2 3 8 2 6 31 3 | 1 24 6 1 51 5 5 43 3 0 3 2 4 2 1 2 6 4 8 8 41 3 2 24 7 7 01 5 ，6 93 4 4 82 4 71 2 9 5 9 5 2 2 2 矿泥的密度1 矿泥的密度是单位体积的矿泥的质量，即矿泥的总质量( m ) 与其体积( v ) 之比，土 的密度可由式2 2 表示： p ：竺 ( 2 。2 ) v 矿泥的密度矿泥的基本物理性指标，标志着土质量的密实程度，是换算矿泥的重度、 孔隙率、饱和度等指标的基本数据啪”1 。矿泥的密度指标有天然密度、干密度。平果矿泥 在室内土工试验测得矿泥的天然密度为1 1 0 6 9 c m 3 。 干密度可以由式2 3 计算： 岛：j l 一 ( 2 3 ) 岛2 l + 。o 一o l w i 跏 式中，岛为干密度，w 为含水率，户为矿泥密度。计算得，以为0 1 1 9 c ，n3 0 桂林工学院硕士学位论文 2 2 3 矿泥的比重分析胁 矿泥比重是矿泥在温度1 0 5 1 i o c 下烘至恒重时的质量与同体积4 c 时的纯水的质 量之比，可由式2 4 表示： g 2 去2 老 式中，风为纯水在4 c 时的密度( = l g c m3 ) ，n 为矿泥密度。在数值，矿泥的比重与矿 泥密度相同，但前者是没有单位。矿泥的比重是矿泥的基本物理性质之一，是计算孔隙比、 孔隙率、饱和度等的重要依据，也是评价矿泥的主要指标。矿泥的比重主要取决于矿泥的 矿物成分。由于矿泥的粒径绝大部分都小于5 m m ，所以采用比重瓶法进行测试。基本原 理是由称号质量的干矿泥放入盛满水的比重瓶的前后质量差异，来计算土粒的体积，从而 进一步计算出土粒的比重”删。测试成果按式2 5 计算比重： e ：塑型! l 站 ( 2 5 ) m b w + m b s m b m h | 一 式中g 矿泥的比重； 比重瓶、试样总质量( g ) ； 比重瓶、水总质量( g ) ： m 。比重瓶、水、在试样总质量( g ) ； m b 比重瓶质量( g ) ； g 。_ t 时纯水的比重( 可查物理手册) ，准确至0 0 0 1 。 经室内土工试验测得矿泥的平均比重( g ) 为2 8 5 。 2 2 4 矿泥的颗粒分析m 1 矿泥的粒径一般是连续变化的，为了描述的方便，我们把大小相近的矿泥合并为组， 称为粒组 2 3 o 粒组问的分界是人为划定的，划分时应使粒组界限与粒组性质的变化相适应， 并按一定的比例递减关系划分粒组的界限值。对于粒组的划分，我们在此参照土的工程 分类标准( g b j l 4 5 - - 9 0 ) 和公路土工试验规程( j t j 0 5 1 - - 9 3 ) 所规定的粒组划分 标准，如表2 2 所示： 表2 2 矿泥粒纽划分标准 粒组名称 细砾粗砂中砂细砂粉粒 粘粒 粒组范围( r a m ) 5 ，2 2 o 50 。5 - - 0 。2 5o 。2 5 0 0 7 50 0 7 5 , - 0 0 0 2 0 0 0 2 矿泥的颗粒物质的大小、形状及其级配对矿泥的物理力学性质有重要影响，为了研究 各类矿泥的粒度变化，我们对取样回来的矿泥进行了颗粒分析试验。矿泥的颗粒组成在一 定的程度上反映了矿泥的某些性质。我们对矿泥的颗粒进行分析主要通过筛析法和密度计 法( 比重计法) 。筛析法就是将士样通过各种不同孔径的筛子，并按筛子孔径的大小将颗 粒加以分组，然后再称两柄计算出各个粒组占总量的百分数。由于平果铝土矿中大于l m m 的为矿，小于l m m 的为矿泥，所以矿泥中大于l m m 的颗粒很少，选取的分析筛为圆孔 1 0 桂林工学院硕士学位论文 细筛，孔径为2 m m ，l m m ，0 5 m m ，0 2 5 m m 和0 0 7 5 r a m 。对小于0 0 7 5 m m 的矿泥颗粒 我们采用密度计法测定，其原理是依据斯托克斯( s t o k e s ) 定律进行测定。当土粒在液体 中靠自重下沉时，较大的颗粒下沉较快，而较小的颗粒下沉较慢。一般认为，对于粒径为 o 2 o 0 0 2 m m 的颗粒，在液体中靠自重下沉时，作等速运动，这符合斯托克斯定律。所 以在颗粒分析时对于大于o 0 7 5 m m 的矿泥采用筛分析出，对于小于o 0 7 5 m m 的矿泥颗粒 采用密度计法析出。结果如下表2 3 ： 表2 3 矿泥的粒度组成 细 粒组名称粗砂中砂细砂粉粒粘粒 砾 粒组范围0 5 0 - - 0 0 2 5 枷o 1 0 0 0 7 扣0 0 5 - - 00 0 4 , - 0o 0 1 加 5 2玉由5 c r a m )2 51 00 0 7 50 0 50 4o l0 0 2o 0 0 2 占有率 0 1 0 98 6 74 8 2o 8 00 8 7o 6 66 4 52 5 5 5 5 1 0 9 ( ) 矿泥的大小及组成情况，通常用土中各个粒组的相对含量( 颗粒组质量占矿泥总质量 的百分比) 来表示，称为矿泥的颗粒级配o ”1 。常用的颗粒级配的表示方法有表格、累计 曲线法和三角坐标法。 累计曲线法用一条曲线表示矿泥的粒度组成，能直观地比较其级配状况，所以在此我 们采用累计曲线法描述矿泥的颗粒组成，根据分析结果绘制的累积曲线如图2 1 所示。 籁 求 皿 g 恻 熙 b 耀 爨 垛 h ， _ 粒径( 棚) 图2 1 矿泥的颗粒分析综合曲线 在累计曲线上，可确定描述矿泥颗粒级配盼指标。不均匀系数： 。= 石d , o ( 2 6 ) 桂林工学院硕士学位论文 式中，c u 不均匀系数； d 6 0 累计百分